자동차용 기관에는 크랭크축, 캠축, 밸브 개폐기구, 각종 베어링, 피스톤과 실린더 등의 운동요소에 그 상호간 기계적 마찰이 존재하며 그 마찰 현상은 매우 다양하다. 기관이 작동할 때 마찰부위에는 마찰력이 발생되며 이 열이 과도하게 축적되면 베어링이 고착 될 수 있다. 따라서 윤활장치는 기고나 작동을 원활하게 하고 기관 수명을 오래 유지하기 위하여 기관 내부의 각 마찰 요소에 윤활유를 공급하는 장치로서 기계적 마찰 손실을 줄이거나 베어링의 고착현상을 막을 수 있다.

                          윤활장치

1. 윤활 작용

1.1. 엔진 오일의 작용

① 마찰 감소 및 마멸 방지 : 강인한 유막을 형성하여 표면의 마찰을 방지한다.

② 밀봉 작용 : 실린더 내의 가스 누출을 방지하기 위해 기밀을 유지한다.

③ 냉각 작용 : 마찰에 의해 발생한 열을 오일 팬이나 오일 냉각기를 통해 냉각시킨다.

④ 세척 작용 : 불순물을 오일의 유동 과정에서 흡수하여 윤활부를 깨끗이 한다.

⑤ 응력 분산 작용 : 연소 행정, 노크 등에 의해 발생한 압력을 액 전체에 분산시켜 평균화 시키는 작용을 한다.

⑥ 방청 작용 : 외부 공기, 수분, 부식성 가스의 침투를 막아 금속이 부식되는 것을 방지한다.

1.2. 엔진 오일의 구비 조건

① 점도가 적당할 것

② 점도지수가 커 온도와 점도와의 관계가 적당할 것

③ 인화점 및 자연 발화점이 높을 것

④ 강인한 오일 막을 형성할 것(유성이 좋을 것)

⑤ 응고점이 낮을 것

⑥ 비중이 적당할 것

⑦ 기포 발생 및 카본 생성에 대한 저항력이 클 것

⑧ 열과 산에 대하여 안정성이 있을 것

(용어정리)

① 점도(viscosity) : 윤활유의 가장 중요한 성질이며, 점도는 액체를 유동시킬 때 나타나는 액체의 내부 저항 또는 내부 마찰을 의미한다.

② 점도지수(viscosity index ; V.I) : 윤활유의 점도는 온도가 상승하면 점도가 낮아지고, 온도가 낮아지면 점도가 높아지는 성질이 있는데 이 변화 정도를 표시하는 것이며, 점도지수가 높은 오일일수록 점도 변화가 작다.

③ 유성(oil ness) : 윤활유의 흡착성이나 유막 유지력의 우열을 정하는 물리, 화학적 성질

1.3. 윤활 상태

① 고체 마찰(Dry Friction) : 상대 운동을 하는 고체 사이의 마찰 저항

② 경계 마찰(Greasy Friction) : 얇은 유막으로 씌워진 두 물체간의 마찰 저항

③ 유체 마찰(Fluid Friction) : 마찰면 사이 오일 막이 존재할 때 점성에 기인하는 저항

2. 윤활 방식

2.1. 비산식

오일펌프가 없는 방식으로 커넥팅 로드의 대단부에 부착한 주걱(Oil Dipper)으로 오일 팬 내의 오일을 크랭크 축이 회전할 때 원심력으로 올려 뿌려주는 방식이다.

2.2. 압송식

크랭크 축 또는 캠축으로 구동되는 오일펌프로 오일을 흡입, 가압하여 각 윤활부에 보내는 방식이다. 순환하는 유압은 약 2～3㎏f/㎠이다.

2.3. 비산 압송식

비산식과 압송식을 조합한 방식으로 크랭크 축과 캠축 베어링, 밸브 기구 등에 압송 방식으로 공급하고, 실린더 벽, 피스톤 링과 핀 등에는 커넥팅 로드 대단부에서 뿌려지는 오일로 윤활하는 방식이다. 현재 이 방식이 가장 많이 사용되고 있다.

3. 윤활 여과 방식

3.1. 전류식(Full Flow Type)

오일펌프에서 압송되는 오일 전부가 필터를 거쳐 여과된 후 각 윤활부분으로 공급하는 방식으로서 현재 자동차용 엔진의 각 윤활 부분의 안전성을 고려하여 대부분 이 방식을 사용한다.

3.2. 분류식(By-pass Flow Type)

오일펌프에서 압송되는 오일 중 일부는 오일 통로를 통해 직접 엔진 각 윤활 부분에 공급되고 나머지 일부는 오일 필터로 들어가서 여과된 후 오일 팬으로 되돌아오는 방식이다.

3.3. 샨트식(Shunt Flow Type)

오일펌프에서 나온 오일의 일부만 여과하게 한 방식이다. 그러나 이 방식은 여과된 오일이 오일 팬으로 되돌아가지 않고, 나머지 여과되지 않은 오일과 윤활 부분에서 합쳐져 공급된다.

4. 윤활 장치의 구성품

4.1. 오일 펌프(Oil Pump)

오일팬 내의 오일을 흡입 가압하여 윤활부로 송출하며 펌프의 능력은 송유량(L/min)과 송유 압력(kgf/㎠)으로 표시한다. 표준 유압은 1～2kgf/㎠에서 2～4kgf/㎠이다. 펌프의 종류는 기어식, 로터리식, 베인식, 플런저식이 있다.

         외접 기어펌프                  내접 기어 펌프              로터리식 펌프           플런저 펌프

오일 펌프

4.2. 오일 여과기(Oil Filter)

오일 속의 불순물인 수분, 연소 생성물, 금속 분말 등을 여과하며, 케이스와 엘리먼트로 구성되어 있다. 오일 필터의 케이스와 엘리멘트가 분리된 교환식과 케이스와 엘리멘트가 일체로된 카트리지식이 있다. 일반적으로 카트리식이 많이 사용되며, 엔진오일 교환시 같이 교환한다.

오일 여과기

4.3. 유압 조절 밸브(Oil Pressure Relief Valve)

윤활 회로내의 압력이 과도하게 상승되는 것을 방지하며, 유압이 스프링의 힘보다 커지면 밸브가 열려 오일팬으로 되돌아가는 구조이다. 유압의 상승 원인은 엔진의 과냉, 오일의 점도 과대, 유로의 막힘, 엔진 회전수가 클 때, 릴리프 밸브 등의 고장이다. 유압의 저하 원인은 오일 펌프의 고장, 오일량 적을 때, 오일의 점도 과소, 엔진 각부의 마멸, 릴리프 밸브 등의 고장이다.

유압조절 밸브

4.4. 오일펌프 스트레이너(Oil Pump Strainer)

오일펌프 스트레이너는 오일 팬 섬프 내의 오일을 펌프로 유도해주는 것이며, 오일 속에 포함된 비교적 큰 불순물을 여과하는 스크린이 있다.

오일 스트레이너

4.5. 유면 표시기(Dip stick)

크랭크 케이스 내의 오일을 점검하는 금속 막대로 아래 부분에 상한 F(MAX)와 하한 L(MIN)이 표시된다. 엔진 오일은 엔진 정지시에 상한과 하한 사이에 있어야 정상이다.

유면 표시기

4.6. 유압계(Oil Pressure gauge, 유압 경고등)

운전석의 앞 계기판에 설치되어 운전 중에 엔진 오일의 상태를 점검할 수 있으며, 형식은 계기식(Meter Type)과 유압 경고등식(Oil Warning Lamp Type)이 있다

4.7. 오일 냉각기(Oil Cooler)

오일 냉각기는 엔진 오일의 온도를 항상 일정한 값으로 유지시켜 주는 역할을 하는 장치로, 주행 중 공기에 의해 냉각시키는 공랭식과 엔진 냉각수를 이용하여 냉각시키는 수냉식이 있으며, 현재는 수냉식을 대부분 사용하고 있다.

4.8. 오일 팬(oil pan ; 아래 크랭크 케이스)

오일 팬은 기관 오일이 담겨지는 용기이며, 기관 오일의 냉각작용도 한다. 재질은 강철판을 주로 사용하였으나, 최근에는 알루미늄 합금을 사용하며, 실린더 아래쪽에 개스킷을 사이에 두고 볼트로 고정되어 있다.

오일 팬에는 기관이 기울어졌을 때에도 오일이 충분히 고여 있도록 하는 섬프(sump)를 두며, 앞기관 뒷바퀴 구동방식의 차량에서는 급제동할 때 오일의 유동으로 인해 오일이 비는 것을 방지하는 칸막이 판(baffle)을 설치하기도 한다. 또 아래쪽에는 기관오일을 교환할 때 오일을 배출시키기 위한 드레인 플러그가 있다.

오일 팬

5. 윤활유(lubricant) 분류

기관 오일의 분류에는 점도에 따른 분류인 SAE분류, 기관의 사용 조건 및 온도에 따른 분류인 API분류와 SAE 신분류가 있다.

5.1. SAE분류

SAE(society of automotive engineers ; 미국자동차기술협회)에서 제정한 기관오일이다. SAE 번호로 그 점도를 표시하며 번호가 클수록 점도가 높은 오일이며, 분류는 다음과 같다.

(1) 겨울철용 기관오일

겨울철에는 기온이 낮아서 오일의 유동성이 떨어지기 때문에 낮은 점도의 오일이 필요하다. 겨울철에는 SAE #5W, 10W, 20W, 10, 20 등을 사용한다.

(2) 봄?가을철용 기관오일

봄, 가을철용은 겨울철용보다는 점도가 높고, 여름철용보다는 점도가 낮은 기관 오일이며 SAE #30을 주로 사용한다.

(3) 여름철용 기관오일

여름철용은 기온이 높기 때문에 기관 오일의 점도가 높아야 하며 SAE #40, 50을 사용한다.

(4) 범용 기관 오일

이 오일은 저온에서 기관이 시동될 수 있도록 점도가 낮고, 고온에서도 오일의 기능을 발휘할 수 있는 오일이다. 전 계절용 또는 다급 기관 오일이라고도 부르며 SAE 5W-20, 10W- 30, 20W-40 등이 있다.

5.2. API분류

이것은 API(american petroleum institute ; 미국석유협회)에서 제정한 기관 오일이며, 가솔린 기관용(ML, MM, MS)과 디젤 기관용(DG, DM, DS)으로 구분되어 있다.

(1) 가솔린 기관용

① ML(motor light) : 가장 좋은 조건(경 부하용)에서 사용하는 기관오일이다.

② MM(motor moderate) : ML과 MS사이에 해당하는 중 부하용 기관오일이다.

③ MS(motor severe) : 고온?고부하로 인하여 기관 오일의 온도가 높고, 산화가 격렬하게 일어나는 가혹한 조건에서 가솔린에 의해 희석이 많은 기관에서 사용한다.

(2) 디젤 기관용

① DG(diesel general) : 황(S)분이 적은 경유를 사용하고, 알맞은 온도와 부하에서 사용되며 마멸이나 침전물에 문제가 없는 디젤 기관에서 사용한다.

② DM(diesel moderate) : 침전물이나 마멸이 발생할 경향이 비교적 크며, 시판용 경유를 사용하고 중부하 운전조건에서 사용된다.

③ DS(diesel severe) : 고온?고부하 및 출발, 정지, 장시간 연속운전 등의 가혹한 조건이며 황(S)분이 많은 저질 경유를 사용하거나 과급기가 부착된 디젤 기관에서 사용한다.

5.3. SAE 신분류

이것은 SAE가 ASTM(american society of testing material ; 미국 재료시험 협회), API 등과 협력하여 새로 제정한 기관오일이며 가솔린 기관용은 S(service), 디젤 기관용은 C(commercial)로 하여 다시 A, B, C, D …… 알파벳 순서로 그 등급을 정하고 있다. SAE 신 분류와 API분류의 관계는 다음과 같다.

(1) 가솔린 기관용

(2) 디젤 기관용

1) 유압이 높아지는 원인

① 기관의 온도가 낮아 오일의 점도가 높다.

② 윤활회로의 일부가 막혔다(특히 오일여과기가 막히면 유압이 상승하는 원인이 된다.)

③ 유압 조절밸브 스프링의 장력이 과다하다.

2) 유압이 낮아지는 원인

① 크랭크축, 캠축 베어링의 과다 마멸로 오일간극이 커졌다.

② 오일 펌프의 마멸 또는 윤활회로에서 오일이 누출된다.

③ 오일 팬의 오일량이 부족하다.

④ 유압 조절밸브 스프링장력이 약하거나 파손되었다.

⑤ 기관오일이 연료 등으로 현저하게 희석되었다.

⑥ 기관오일의 점도가 낮다.

6. 크랭크케이스 환기장치

기관이 작용할 때 크랭크 케이스(crank case) 내에는 어느 정도의 연소가스나 미 연소가스가 블로바이에 의하여 누설되며 이로 인하여 기관오일이 희석되거나 변질되어 오일 슬러지를 생성하며 크랭크 케이스 내의 압력이 상승한다. 이를 방지하기 위하여 환기장치를 두고 있다.

7. 윤활장치 점검

7.1. 기관 오일 색깔 점검

① 검은색 : 심하게 오염된 경우이다. 이때는 점도를 점검해 보고 교환 여부를 결정하도록 한다.

② 우유색 : 냉각수가 혼합된 경우이다. 다만, 기관에서 사용하던 오일에 냉각수가 유입되면 회색에 가까운 색이 된다.

7.2. 기관 오일을 교환할 때 주의사항

① 기관에 알맞은 오일을 선택한다.

② 주입할 때 불순물이 유입되지 않도록 한다.

③ 점도가 서로 다른 오일을 혼합하여 사용하지 않는다(첨가제의 작용으로 오일의 열화가 촉진된다).

④ 재생 오일은 사용하지 않도록 한다. 재생 오일이란 사용하다가 빼낸 오일을 말한다.

⑤ 교환시기에 맞추어서 교환한다. 교환 시기는 기관의 사용조건에 따라 달라지나 일반적으로 5,000～10,000Km 주행마다 교환한다.

⑥ 오일 양을 점검하면서 규정량을 주입한다. 그리고 보충하고자 할 때에는 유면 표시기의 “F”선까지 넣는다.

⑦ 기관 오일이 소모되는 주원인은 연소와 누설이다.

⑧ 오일을 과다하게 주입하면 윤활유가 연소실에 올라와 연소할 때 배기가스의 색은 백색이 난다.